دانشمندان به کار ‘غیرممکن’ دست یافتند تا نور را در حالی که کیوبیت‌های یونی محبوس را اندازه‌گیری می‌کردند، کنترل کنند
یکی از پیچیده‌ترین مشکلاتی که دانشمندان در هنگام کار با اطلاعات کوانتومی با آن مواجه هستند، اطمینان از حفاظت کیوبیت‌ها است. زیرا هر بار که یک کیوبیت را بازنشانی، اندازه‌گیری یا حذف می‌کنند، کیوبیت‌های مجاور می‌توانند آسیب ببینند و این منجر به از دست رفتن اطلاعات می‌شود.
یک مطالعه جدید از محققان دانشگاه واترلو راه‌حلی برای این مشکل پیشنهاد می‌دهد. نویسندگان این مطالعه روشی را برای کنترل دقیق نور لیزر که برای دستکاری کیوبیت‌ها استفاده می‌شود، ابداع کرده‌اند.
آنها حتی یک آزمایش برای انجام این کار تقریباً غیرممکن انجام دادند. آزمایش شامل اندازه‌گیری و بازنشانی یک کیوبیت یونی محبوس به یک حالت شناخته شده بود بدون اینکه هیچ آسیبی یا اختلالی به کیوبیت‌های همسایه که فقط چند میکرومتر فاصله داشتند وارد شود.
“این نمایش می‌تواند تاثیر زیادی بر تحقیقات آینده در این زمینه بگذارد، از جمله پیشرفت پردازشگر‌های کوانتومی، افزایش سرعت و قابلیت‌ها برای وظایفی مانند شبیه‌سازی کوانتومی در ماشین‌هایی که امروز وجود دارند، و اجرای تصحیح خطا.” نویسندگان مطالعه اشاره می‌کنند.
چرا اغلب در حفظ کیوبیت‌ها ناکام هستیم؟
روش‌های فعلی برای حفاظت از کیوبیت‌ها دارای چندین محدودیت هستند. برای مثال، اغلب نیاز به منابع اضافی مانند کیوبیت‌های اضافی یا فرآیندهای تکراری برای تصحیح خطا دارند.
این می‌تواند منجر به هدررفت زمان همزمانی، زمانی که کیوبیت‌ها در حالت کوانتومی خود باقی می‌مانند بدون اختلال، شود. چنین روش‌هایی همچنین می‌توانند خطاهای جدیدی در طی فرآیند تصحیح معرفی کنند، که کارایی و بازده کلی را کاهش می‌دهد.
این محدودیت‌ها تلاش برای دستکاری یا حتی دسترسی به کیوبیت‌ها را بسیار چالش‌برانگیز می‌کند. نویسندگان مطالعه راه‌حلی جالب برای این مشکل ارائه داده‌اند. آنها بر روی دو فناوری جداگانه کار کرده‌اند؛ کیوبیت‌های تله یونی و شکل‌دهی هولوگرافیک پرتوی.
اولی برای خواندن، بازنشانی و دستکاری کیوبیت‌ها با استفاده از نور لیزر به کار می‌رود. در این فرآیند، کیوبیت‌ها توسط یون‌هایی که در میدان‌های الکترومغناطیسی محبوس شده‌اند، نمایان می‌شوند. دومی برای شکل‌دهی و دستکاری نور لیزر از طریق عناصر نوری مانند هولوگرام‌ها به کار می‌رود.
آنها تصمیم گرفتند که هر دو فناوری را با هم استفاده کنند تا نور لیزر را کنترل کنند به گونه‌ای که هنگام کار بر روی یک کیوبیت خاص، کیوبیت‌های دیگر در سیستم را مختل نکند.
راه حل برای دستکاری کیوبیت‌ها بدون آسیب رساندن به آنها
نویسندگان مطالعه تصمیم به تغییر وضعیت کوانتومی یک کیوبیت گرفتند. بنابراین ابتدا، وضعیت کوانتومی آن را با استفاده از اندازه‌گیری میانی مدار محاسبه کردند، فرآیندی در محاسبات کوانتومی که در آن وضعیت یک کیوبیت در حالی که سایر عملیات‌ها همچنان در حال انجام هستند، اندازه‌گیری می‌شود.
سپس از یک لیزر که دقیقاً کنترل شده بود در یک تنظیمات کیوبیت یونی محبوس استفاده کردند، استفاده از فناوری شکل‌دهی پرتوی هولوگرافیک. این روش ترکیبی نور را بر روی هدف خود متمرکز نگه داشت و از رسیدن آن به کیوبیت‌های دیگر جلوگیری کرد.
با این حال، “در حین این فرآیند، یون هدف فوتون‌ها را در همه جهات پخش می‌کند. حتی با کنترل کامل بر نور، همچنان خطر این وجود دارد که این فوتون‌های پراکنده شده وضعیت‌های کوانتومی کیوبیت‌های مجاور را مختل کنند، که این باعث محدودیت در میزان حفاظت ما از آنها می‌شود،” راجیبول اسلام، نویسنده ارشد مطالعه و استاد دانشگاه واترلو، گفت.
رویکرد هولوگرافیک به محققان اجازه داد تا فوتون‌های پراکنده شده را کنترل و محدود کنند. در نتیجه، آزمایش موفقیت‌آمیز بود و منجر به هیچ‌گونه اختلال یا آسیبی به کیوبیت‌های مجاور نشد.
